Сотрудники Научно-технического университета Китая и Шанхайского института технической физики сумели телепортировать кубиты на рекордно большое расстояние в 97 км.
Напомним: Квантовая телепортация была впервые реализована пятнадцать лет назад. В том лабораторном опыте использовались фотонные кубиты, которые, как позже выяснилось, отлично подходят и для работы в «реальных условиях»: уже в начале двухтысячных появились сообщения о телепортации на расстояние в ~1 км по оптоволокну. Однако потери в оптоволокне серьёзно ограничивали дальность, что заставило учёных экспериментировать с передачей в свободном пространстве. Два года назад в одном из таких опытов квантовое состояние фотона было передано на 16 километров.
Китайские физики построили свой эксперимент по традиционной схеме, согласно которой в процессе участвуют трое: Алиса (по принятым в криптографии правилам — отправитель), Боб (адресат) и Чарли. У Алисы имеется фотон 1 в произвольном квантовом состоянии, которое необходимо передать Бобу. Чтобы помочь ей, Чарли создаёт пару квантово запутанных фотонов 2 и 3 и отсылает один из них отправителю, а второй — принимающей стороне. Затем Алиса производит измерение над своей системой из двух фотонов и сообщает его результат — по обычному классическому каналу связи — Бобу. Последний, получив сообщение, совершает необходимое преобразование над фотоном 3, приводя его состояние к тому виду, какой имело состояние кубита 1. На этом телепортация завершается.
Оборудование, которое использовали Алиса (b), Боб (c) и Чарли (а) для передачи квантового состояния. PI — зеркало с пьезокерамическим приводом, PBS — поляризационный светоделитель, HWP и QWP — полу- и четвертьволновая пластинки, BS — светоделитель, DM — дихроическое зеркало, IF — интерференционный фильтр, BBO и LBO — кристаллы, используемые для создания пар запутанных фотонов и удвоения частоты, CL — цилиндрическая линза, T1, T2, R1 и R2 — детекторы. (Иллюстрация авторов работы.)
Физическая реализация этой схемы, предложенная авторами, также не отличается оригинальностью. Для создания запутанных пар фотонов учёные использовали излучение фемтосекундного УФ-лазера, получаемое путём удвоения частоты из импульсов ближнего ИК-диапазона с длиной волны в 788 нм. Подготовленные УФ-импульсы направлялись на кристалл бета-бората бария, где в процессе спонтанного параметрического рассеяния рождались запутанные по поляризации фотоны 2 и 3. Частицу 2 посылали Алисе, расположенной рядом, а фотон 3 по отрезку оптоволокна передавался на обычный телескоп-рефрактор и отправлялся к Бобу, на другой берег горного озера Цинхай. На стороне Боба был смонтирован 40-сантиметровый телескоп-рефлектор, выполнявший функции приёмника.
Единственной нестандартной деталью, которая и обеспечила возможность телепортации на многокилометровое расстояние, стала система слежения. Её задача, как несложно догадаться, заключалась в том, чтобы ориентировать оптические элементы и наладить бесперебойную связь. В состав системы входили непрерывный, работавший на длине волны в 532 нм, и импульсный (отвечавший за синхронизацию) лазеры, установленные на стороне Чарли, а также мощный 671-нанометровый лазер на стороне Боба. Лазерное излучение фиксировалось камерами и так называемыми четырёхквадрантными детекторами (сборками из четырёх детекторов света, соединённых в мостовую схему), и в случае необходимости автоматика подавала сигнал на поворотные платформы и зеркала с пьезокерамическим приводом.
При испытаниях эта система проявила себя с наилучшей стороны. Собирая данные в течение 14 400 секунд, учёные зарегистрировали 1 171 случай успешной квантовой телепортации.
По мнению авторов, построенный ими комплекс слежения, способный быстро и точно реагировать на перемещения, подойдёт и для будущих экспериментов по организации квантовой связи на сверхбольших дистанциях с помощью спутников.
Препринт статьи, подготовленной исследователями из Китая, можно загрузить с сайта arXiv.